Verbesserung der Entwässerung von Klärschlamm

Transkript

1 Verbesserung der Entwässerung von Klärschlamm Dr.-Ing. Julia B. Kopp Kläranlagen Beratung Kopp Hintere Str D Lengede DWA: stellv. Obfrau KEK 2 Sprecherin KEK 2.3 Mitglied KEK 13; KEK 2.4 Referentin Abwassermeister-Fortbildung Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 1 / 37

2 DWA Fachausschusses KEK 2 Stabilisation, Konditionierung, Eindickung, Entwässerung und Entseuchung von Schlämmen Merkblatt DWA M 366 Maschinelle Schlammentwässerung 2013 Merkblatt DWA M 350 Aufbereitung von polymeren Flockungsmitteln 2014 Merkblatt DWA M 381 Eindickung von Klärschlamm 2007 Merkblatt DWA M 383 Kennwerte der Schlammentwässerung 2008 Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 2 / 37

3 Schlammentwässerung Ziel Abtrennung des Schlammwassers, um die weiter zu behandelnden Schlammmassen zu vermindern. Methode Maschinelle Klärschlammentwässerung erfolgt durch Zentrifugation oder durch Filtration. Vor der Entwässerung wird der Schlamm konditioniert, um die Entwässerbarkeit des Schlammes zu verbessern. Aspekte Wie und mit welchen Mengen muss der Klärschlamm konditioniert werden? Wie viel Schlammwasser kann abgetrennt werden, welcher Feststoffgehalt stellt sich nach der maschinellen Entwässerung maximal ein? Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 3 / 37

4 Wasserbindung freies Wasser = keine Bindung gebundenes Wasser als: - Zwischenraumwasser, durch Kapillarkräfte zwischen den Klärschlammpartikeln gehalten - Oberflächenwasser, durch Adhäsionskräfte - in Hydrogelsystemen gebundenes Wasser, - Zellinnenwasser - chemisch geb. Wasser Kristallwasser (Hydratwasser) (Quelle: Dr. Julia Kopp) Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 4 / 37

5 Nur der freie Wasseranteil wird abgetrennt (Quelle: Dr. Julia Kopp) Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 5 / 37

6 Prognosekennwert TR(A) (Quelle: Dr. Julia Kopp) (Quelle: Dr. Julia Kopp) TR(A) KBKopp abgeleitet aus der Messung des freien Wasseranteils Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 6 / 37

7 TR(A)KBKopp Gutachten (Quelle: Dr. Julia Kopp) (Kopp 2016) Kennwert TR(A) ist anerkannt zur Kontrolle von Garantiewerten (DWA M-366, M-383)! Mehr als 700 Gutachten seit 2000, ab Messeinrichtungen Messgenauigkeit ± 1,5%TR, 5-Punkt kalibriert mit monodispersen Standardpartikeln Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 7 / 37

8 Schlammgenese Rohabwasser- Zusammensetzung Verfahrenstechnik Abwasserbehandlung Verfahrenstechnik Schlammbehandlung Klärschlammeigenschaften Entwässerungsaggregat Art Variablen Kenngrößen Konditionierung Art Lösungskonzentration Menge Einmischenergie Schlammförderung (Quelle: Dr. Julia Kopp) Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 8 / 37

9 Betriebsergebnisse Zentrifuge Quelle Dr. Denkert Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 9 / 37

10 TR(A) [%] Glühverlust keine Prognose kommunale Faulschlämme n = Glühverlust [%] Nicht nur die Menge an Organik ist entscheidend, sondern welche Stoffgruppen bilden diesen Anteil. Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 10 / 37

11 Einfluss der Schlammart ÜS-Anteil [%] ÜS-Anteil bezogen auf die Rohschlammfracht Austragsfeststoffgehalt Labor (Mittelwerte) [% TR] Mit steigendem ÜS-Anteil geht die Entwässerbarkeit zurück! Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 11 / 37

12 Kennwert TR(A) [%] Phosphat und Entwässerung PO 4 P hat einen Einfluss auf die Wasserbindung der EPS EPS beeinflusst TR-Austrag und Polymerbedarf (Quelle: Dr. Julia Kopp) kommunale Faulschlämme [n= 105 (KBKopp ) 20 Kläranlagen mit Bio-P: > 100 mg/l PO 4 P ~ - 4% TR ~ + 3 kg WS/Mg TM PO4-P im Schlammwasser [mg/l] Kläranlage TR(A) [%] Poly [kg WS/MgTM] Phosphatgehalt P-Fällung mg/l PO 4 P biol. P > 100 mg/l PO 4 P biol. P > 200 mg/l PO 4 P Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 12 / 37

13 Wahl des Polymers scherstabil / nicht scherstabil (Quelle: Dr. Julia Kopp) Polymerverbrauch für gelöste Ladung Polymerverbrauch zur Flockenbildung Zentrat Polymer 1 Polymer 2 Dos- Polymer 1 opt. = 14,5 kgws/ttr Dos- Polymer 2 opt. = 8,6 kgws/ttr Scherstabilität Winkel: 78 gut Scherstabilität Winkel: 36 schlecht Verbrauch Zentrifuge 13,0 kgws/ttr Verbrauch Zentrifuge 12,5 kgws/ttr Entwässerungsergebnis = 26,8 %TR Entwässerungsergebnis = 24,3 %TR Abscheidegrad = 98,9 % TR(A) = 28% Abscheidegrad = 89,2 % Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 13 / 37

14 Löseverhalten und Reifezeit Eine optimale Entwässerung wird nur erreicht: Wenn: Polymerprodukt passt & sachgerecht aufbereitet wird!! 45 min Reifezeit nach Befüllen!! Verbrauch der angesetzten Lösung binnen 4 Stunden!! Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 14 / 37

15 Kosten Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 15 / 37

16 Entwässerungsmaschinen Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 16 / 37

17 Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 17 / 37

18 Betriebsergebnisse Dekanter (KA #1) Kennwerte Faulschlamm TR ~ 2,7 % / GV ~ 67% - TR(A) = 21,3% mit 11,9 kgws/ttr Entwässerungsergebnis entspricht Stand der Technik: TR(A) 1,5% (Prognosegenauigkeit) 19,8% TR Betriebsversuche: - Beschickung: 48 m³/h = 1300 kg TR/h ~ 18,0% TR - Beschickung: 35 m³/h = 950 kg TR/h ~ 19,9% TR Maschinenauslastung: 100 % = 50 m³/h bis ~ 1500 kg TR/h (max Auslastung Dekanter) 88 % = 48 m³/h 1300 kg TR/h (Vertragswert-max mit KA) 67 % = 35 m³/h 1000 kg TR/h (Vertragswert-Betrieb mit KA) Auslastung bei der Planung berücksichtigen!! Versuche mit gleich-großer Maschine durchführen! Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 18 / 37

19 Betriebsergebnisse BFP (KA #2) Kennwerte Faulschlamm TR ~ 2,6% / GV ~ 67% - TR(A) = 24,4% mit 12,5 kgws/ttr ohne FeClSO 4 - TR(A) = 25,2% mit 9,5 kgws/ttr 2,5 l/m³ FeClSO 4 Entwässerungsergebnis entspricht Stand der Technik bei: TR(A) 1,5% (Prognosegenauigkeit) - 2% (BFP/SP) 21,7% TR Betriebsversuche: - Beschickung: 16 m³/h = 420 kg TR/h ~ 20,7 % TR - Beschickung: 13 m³/h = 350 kg TR/h ~ 22,6 % TR Maschinenauslastung: 100 % = 22 m³/h ~ 550 kg TR/h 85 % = 16 m³/h ~ 420 kg TR/h (Vertragswert mit KA) 70 % = 13 m³/h ~ 350 kg TR/h (optimaler Betrieb) Auslastung Maschine bei der Planung zu berücksichtigen und im Betrieb zu überprüfen!! Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 19 / 37

20 Betriebserfahrungen KA #3 Kennwerte Rücklaufschlamm TR ~ 0,8% / GV ~ 59% TR(A) = 22,0% mit 6,0 kgws/ttr TR STD = TR(A) 1,5% (Prognosegenauigkeit) - 2% (BFP/SP) 18,5% TR Betriebsversuche: Beschickung: 7 m³/h = 56 kg TR/h ~ 18-20% TR mit 6-8 kg WS/TR bei ~ 60% Auslastung KA #4 Kennwerte Faulschlamm TR ~ 1,8% / GV ~ 63% TR(A) = 24,8% mit 20,9 kgws/ttr TR STD = TR(A) 1,5% (Prognosegenauigkeit = 22,8%) - 2% (BFP/SP) 21,3% TR Betriebsversuche: Beschickung: 5 m³/h = 83 kg TR/h ~ 22-23% TR mit ~20 kg WS/TR bei ~ 36% Auslastung Beschickung: 10 m³/h = 171 kg TR/h ~ 20-21% TR mit ~20 kg WS/TR bei ~ 74% Auslastung Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 20 / 37

21 Ansätze zur Optimierung Die Entwässerbarkeit kommunaler Klärschlämme wird durch den ÜS-Anteil bestimmt Im ÜS ist die Stoffgruppe der Proteine / EPS maßgeblich Verfahren zur Optimierung greifen Proteine an: Fällung: - Vorfällung z.b. mit Eisensalzen - MAP-Fällung = Entzug von Phosphat mit MgCl 2 dadurch reduzierte Wasserbindung Bei thermischer Behandlung verändert sich die Wasserbindung der Proteine: - Erwärmung = Änderung der Viskosität - therm. Hydrolyse = Denaturierung der Proteine vor der Faulung Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 21 / 37

22 Einfluss der Temperatur Mit steigender Temperatur nimmt die Viskosität des Klärschlammes ab und die Wasserabgabegeschwindigkeit steigt Versuch: SZ-Nord Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 22 / 37

23 23 großtechnische Entwässerungsversuche zur Temperaturführung - KA Salzgitter Nord Verbesserung der Entwässerung ~ 2 3 % TR-Punkte Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 23 / 37

24 Bewertung Temperaturführung 1) Messen der Schlammtemperatur vor der Entwässerung (1 x wöchentlich) 2) Im Faulschlamm noch enthaltenes Faulgas sollte ausgasen, stört die Entwässerung 3) Ein Auskühlung des Schlammes ist zu vermeiden, das Temperaturniveau der Faulung sollte weitgehend erhalten bleiben 4) Vorlage isolieren oder überschüssige Abwärme nutzen 5) Obere Temperaturgrenze ist durch die Wirksamkeit des Polymers bei ca. 60 C erreicht eng eines blauen Textkastens, um die Beschreibung aufzunehmen. Fazit: Auskühlung vermeiden!!! Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 24 / 37

25 Air-Prex Verminderung von Phosphat durch gezieltes Ausfällen von MAP + 4-5%TR Nur bei biol. P und PO 4 P > mg/l Faulschlammwasser ist eine MAP Fällung sinnvoll. Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 25 / 37

26 Optimierung der Konditionierung Zweistufiges Flocken Klärschlamm (viele Kolloide) 1. Flockstufe kurzkettiges Polymer (stark kationisch) 2. Flockstufe langkettiges Polymer oder Einsatz von 2-3 l/m³ FeCl 3 Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 26 / 37

27 Polymertitrationskurven FS-y mit und ohne Dosierung von 3,5 l/m³ FeClSO 4! Einwirkzeit anpassen! > 6 h FS-y ohne FeClSO 4 : Dos-Polymer = 22 kgws/ttr bis zum Ladungsausgleich; Scherstabilität der konditionierten Flocke ist sehr gering. FS-y +3,5 l FeClSO 4 /m³ Sofortmessung (nach wenigen Minuten Reaktionszeit des Eisensalzes): Dos-Polymer = 21 kgws/ttr bis zum Ladungsausgleich Scherstabilität der konditionierten Flocke verringert sich FS-y +3,5 l FeClSO 4 /m³ (Reaktionszeit des Eisensalzes ~ 1d): Dos-Polymer = 11,5 kgws/ttr bis zum Ladungsausgleich Scherstabilität der konditionierten Flocke verbessert sich leicht Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 27 / 37

28 Verfahren zur thermischen Hydrolyse thermisch-chemische Hydrolyse bei 70 C für 120 min + Zugabe NaOH - PONDUS-Verfahren thermische Hydrolyse bei 150 C für 30 min - CAMBI-Verfahren (Dampf) - LYSOTHERM-SH+E-Group - Sustec NL, Harselv Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 28 / 37

29 PONDUS-Verfahren Behandlung des eingedickten ÜS vor der Faulung Zugabe von ca. 2 l NaOH (50 %) pro m³ ÜS Temperatur von 70 C, drucklos für 2 Stunden Einsatz auf der KA Gifhorn, KA Nordhorn Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 29 / 37

30 thermische Hydrolyse + MAP-Fällung Versuch: SZ-Nord Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 30 / 37

31 CAMBI-Verfahren Behandlung des eingedickten ÜS vor der Faulung - KA Geiselbullach Behandlung des ÜS+PS nach Vorentwässerung - WWTP Chertsey UK viele großtechnische Referenzen seit 1995 Behandlung des Schlammes mit Dampf Temperatur >140 C, 8-10 bar für 30 min Faulschlamm FS-Cambi Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 31 / 37

32 CAMBI Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 32 / 37

33 Vergleich der thermischen Hydrolyse Versuch: Klagenfurt Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 33 / 37

34 Vergleich Vorversuch - Großtechnik Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 34 / 37

35 Solid Stream = Combination Thermische Hydrolyse mit thermische Konditionierung Gewinn Biogas ~ 350 nm³/t otr ~ + 14% TR Austrag Achtung CSB Rückbleastung Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 35 / 37

36 Zusammenfassung Quelle: AWEL Zürich 2013 "Stand der Technik für die mechanische Entwässerung von Klärschlamm" Bei der maschinellen Entwässerung kann nur der freie Wasseranteil abgetrennt werden Prognose / Kontrolle Kennwert TR(A) KBKopp Maßgebend Einfluss auf die Entwässerung hat der ÜS-Anteil und Bio-P Die richtige Produktauswahl und sachgerechte pfm-aufbereitung sind entscheidend um optimale Entwässerungsergebnisse zu erreichen. Insbesondere auf die Scherstabilität der konditionierten Flocken ist für die Entwässerung zu achten. Die prozentuale Auslastung der Entwässerungsmaschinen zur Nennleistung beeinflusst das betrieblich erreichbare Entwässerungsergebnis. Ausreichende Maschinen-Größe auch für Verschlechterung der Entwässerungseigenschaften wählen, d.h. Leistungsreserven vorhalten! (Betrieb bei 60-75% der Nennlast) Optimierungen der Schlammentwässerung kann durch: Verhindern der Auskühlung ~ + 2% TR-Punkte MAP-Fällung /AirPrex ~ + 4,5% TR-Punkte für BioP-Anlagen PONDUS ~ + 5% TR-Punkte CAMBI ~ ÜS ~+ 8% TR-Punkte; RS ~+10% TR; Solid-Stream +~14%TR Eine Kombination von thermischer Hydrolyse und MAP- Fällung ist möglich und sinnvoll. Bei Anwendung einer thermischen Hydrolyse erhöht sich nicht nur die Entwässerbarkeit, sondern auch die Gasproduktion, der Abbaugrad aber auch die Rückbelastung! Eine Empfehlung setzt eine wirtschaftliche und energetische Betrachtung im Einzelfall voraus. Belastbare Eingangsdaten dafür können von KBKopp durch Vorversuche ermittelt werden. Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 36 / 37

37 Rückfragen: Kläranlagen Beratung Kopp Hintere Str. 10 D Lengede Tel: Fax: Mobil: Klärschlammnetzwerk Nord Ost Berlin 37 / 37